میکروسکوپ الکترونی روبشی چیست؟

-FãTéMęH- · 30/8/23

پس از اختراع میکروسکوپ در قرن هفدهم میلادی، دریچه‌ای تازه به روی پژوهشگران در رشته‌های مختلف گشوده شد. میکروسکوپ نوری می‌توانست با استفاده از نور، تصاویری بزرگ شده از نمونه‌های مختلف تهیه کند. اما مشکل این میکروسکوپ ناتوانی آن در به تصویر کشیدن نمونه‌های بسیار کوچک بود. از این‌رو، پژوهشگران به دنبال جایگزین مناسبی برای نور در میکروسکوپ نوری بودند. سرانجام، پس از پیدایش فیزیک کوانتوم و بیان دوگانگی موج ذره، دانشمندان به این نتیجه رسیدند که ذرات کوانتومی، مانند الکترون‌ها، می‌توانند همانند نور طول موج داشته باشند. سرانجام، در دهه ۳۰ میلادی میکروسکوپ الکترونی، به خصوص میکروسکوپ الکترونی روبشی (Scanning Electron Microscope | SEM)‌ و «میکروسکوپ الکترونی عبوری» (Transmitting Electron Microscope | TEM) اختراع شد.
در میکروسکوپ الکترونی روبشی به جای نور، از پرتو الکترونی با طول موجی بسیار کوچک‌تر استفاده می‌شود. از این‌رو، با استفاده از این میکروسکوپ می‌توانیم نمونه‌هایی با اندازه‌های بسیار کوچک را مشاهده کنیم و از آن‌ها تصاویری با وضوح بالا به‌دست آوریم. الکترون‌های تولید شده در تفنگ الکترونی، با استفاده از عدسی‌های الکترومغناطیسی روی سطح نمونه متمرکز می‌شوند. توجه به این نکته مهم است که در میکروسکوپ الکترونی روبشی، الکترون‌ها به جای عبور از نمونه، سطح آن را جاروب می‌کنند. با توجه به برهم‌کنش پرتو الکترونی با سطح نمونه، اطلاعات مختلفی در مورد ساختار سطحی نمونه،‌ ضخامت و عناصر تشکیل‌دهنده آن را می‌توانیم به‌دست آوریم.

میکروسکوپ الکترونی روبشی چیست؟

در میکروسکوپ الکترونی روبشی به جای نور، از پرتو الکترونی با طول موجی بسیار کوتاه‌تر استفاده می‌شود. از این‌رو، با استفاده از این میکروسکوپ می‌توانیم نمونه‌هایی با اندازه‌های بسیار کوچک را مشاهده کنیم و از آن‌ها تصاویری با وضوح بالا به‌دست آوریم. پرتو الکترونی با روبش سطح نمونه، با آن برهم‌کنش می‌کند. میکروسکوپ نوری در قرن هفدهم میلادی کشف و تا اواسط قرن بیستم بسیار مورد استفاده قرار می‌گرفت. با استفاده از این میکروسکوپ، پرسش‌های بسیاری در مورد جهان میکروسکوپی پاسخ داده شد. پژوهشگران با استفاده از میکروسکوپ نوری می‌توانستند سلول‌های تکی را مشاهده کنند.
اما ساختارهای کوچک‌تر از سلول توسط این میکروسکوپ قابل مشاهده نبودند. با اختراع و ساخت میکروسکوپ الکترونی در دهه‌های ۳۰ و ۴۰ میلادی، دانشمندان توانستند ساختارهایی بسیار کوچک‌تر از سلول را مشاهده کنند. قدرت تفکیک برخی میکروسکوپ‌های الکترونی در حدود ۰/۲ نانومتر است. این عدد در حدود ۱۰۰۰ مرتبه بهتر از قدرت تفکیک بهترین میکروسکوپ‌های نوری است. میکروسکوپ‌های الکترونی با این قدرت تفکیک می‌توانند نمونه موردمطالعه را تا یک میلیون مرتبه بزرگ کنند.
با این مقدار بزرگنمایی، دانشمندان به راحتی می‌توانند ساختار داخلی سلول‌ها، ساختار مولکولی ویروس‌ها و بسیاری از نانوساختارها را مطالعه کنند. از این‌رو، می‌توانیم درک بهتری از دنیای میکروسکوپی داشته باشیم. چرا با استفاده از میکروسکوپ الکترونی می‌توانیم ساختارهای بسیار کوچک را مشاهده کنیم؟ زیرا در میکروسکوپ الکترونی، به جای پرتو نور، از پرتو الکترونی استفاده می‌شود. الکترون‌ها یا از نمونه عبور یا سطح آن را جاروب می‌کنند.

-FãTéMęH- · 30/8/23

بنابراین، با توجه به نوع برهم‌کنش الکترون با نمونه، دو نوع میکروسکوپ الکترونی داریم:

«میکروسکوپ الکترونی روبشی» (Scanning Electron Microscope | SEM)
«میکروسکوپ الکترونی عبوری» (Transmitting Electron Microscope | TEM)
در این مطلب، در مورد میکروسکوپ الکترونی روبشی،‌ انواع و تفاوت آن با میکروسکوپ الکترونی عبوری صحبت می‌کنیم. الکترون‌ها، ذرات زیراتمی با بار الکتریکی منفی هستند. طول موج الکترونی بسیار کوچک‌تر از طول موج نور مرئی و در حدود ۰/۰۱ نانومتر است. این طول موج کوچک به ما اجازه می‌دهد تا با استفاده از میکروسکوپ‌های الکترونی بتوانیم جزییات بیشتری از نمونه با قدرت تفکیک بسیار بالاتری را مشاهده کنیم.
اصلی‌ترین قسمت‌ها تشکیل‌دهنده میکروسکوپی نوری عبارت هستند از:

• منبع نور
• عدسی برای متمرکز کردن نور روی نمونه
• جمع‌کننده نور پس از برهم‌کنش آن با ماده
• آشکارساز نور برهم‌کنش‌کننده با نمونه

در میکروسکوپ نوری برای متمرکز کردن و جمع‌آوری نور از عدسی شیشه‌ای استفاده می‌شود. بسیاری اجزای تشکیل‌دهنده میکروسکوپ الکترونی مشابه میکروسکوپ نوری است. در میکروسکوپ الکترونی، به جای منبع نور، از تفنگ الکترونی برای تولید الکترون استفاده می‌شود. همچنین، در میکروسکوپ نوری به جای عدسی شیشه‌ای، از عدسی الکترومغناطیسی برای متمرکز کردن نور استفاده می‌کنیم. همچنین، آشکارساز به جای حساس بودن به نور، به الکترون حساس است. در میکروسکوپ الکترونی، به خصوص میکروسکوپ الکترونی عبوری، الکترون با نمونه برهم‌کنش می‌کند. برهم‌کنش الکترون با نمونه به چند صورت می‌تواند انجام شود:

• هنگامی‌که پرتو الکترونی به نمونه برخورد می‌کند، برخی الکترون‌ها ممکن است توسط نمونه جذب شوند.
• برخی الکترون‌ها در پرتو الکترونی پس از برخورد به سطح نمونه، پراکنده می‌شوند. به این الکترون‌ها، الکترون‌های برگشتی می‌گوییم.
• هنگام برخورد پرتو الکترونی به نمونه ممکن است الکترون‌های داخل نمونه با کسب انرژی لازم بتوانند از آن خارج شوند. به این الکترون‌ها، الکترون‌های ثانویه گفته می‌شود.

اگر تعداد الکترون‌های برخوردکننده به نمونه با تعداد الکترون‌های خروجی پس از برخورد برابر نباشند، نمونه باردار خواهد شد. این حالت تاثیر منفی بر تصویر تولید شده از نمونه می‌گذارد. برای جلوگیری از باردار شدن نمونه، بسیاری از نمونه‌ها با لایه‌ نازکی از فلز، مانند طلا یا نقره، پوشانده می‌شوند. بیشتر تصاویر ایجاد شده توسط SEM، با استفاده از الکترون‌های ثانویه ایجاد می‌شوند. عکسی که در ادامه آمده است، تصویری از نانوسیم‌ها و نانوگل‌های اکسیدروی را نشان می‌دهد. این تصویر با استفاده از الکترون‌های ثانویه تهیه شده است. تصویر به‌دست آمده از الکترون‌های ثانویه ساختار سطحی نمونه را به صورت سه‌بعدی نشان می‌دهد. خطی زردرنگ در پایین تصویر، سمت راست، رسم و زیر آن عدد ۵/۰۰ میکرومتر نوشته شده است. از این خط می‌توان به عنوان مقیاسی برای اندازه‌گیری نانوسیم‌ها و نانوگل‌ها استفاده کرد.

-FãTéMęH- · 30/8/23

تصویر زیر سلول‌هایی را نشان می‌دهد که بالای ستون‌های ساخته شده کشت شده‌اند. به این نکته توجه داشته باشید که نوار مقیاس در این تصویر بسیار بزرگ‌تر از نوار مقیاس در تصویر بالا و برابر ۵۰ میکرومتر است. میکروسکوپ الکترونی روبشی می‌تواند ساختارهایی به کوچکی یک تا دو نانومتر و به بزرگی یک تا دو میلی‌متر را به تصویر بکشد.

تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از سلول کشت شده

تصاویر به‌دست آمده توسط الکترون‌ها برگشتی در مقایسه با تصاویر ایجاد شده توسط الکترون‌های ثانویه، جزییات کمتری را از سطح نشان می‌دهند. در بیشتر موارد، تصاویر به‌دست آمده از الکترون‌های برگشتی بسیار مسطح به نظر می‌رسند. همان‌طور که در تصویر زیر مشاهده می‌شود، برخی از قسمت‌های تصویر به‌دست آمده از الکترون‌های برگشتی، بسیار روشن‌تر از قسمت‌های دیگر هستند. این کنتراست مشاهده شده در تصویر مربوط به تفاوت عدد اتمی متوسط است. نواحی از نمونه که عدد اتمی بالاتری دارند، الکترون‌های برگشتی بیشتری تولید می‌کنند. بنابراین،‌ روشن‌تر به نظر می‌رسند. تصویر زیر پلیمری را نشان می‌دهد که ذرات تیتانات باریم در آن قرار گرفته‌اند. از آنجا که عدد اتمی تیتانات باریم بسیار بزرگ‌تر است، در تصویر بسیار روشن‌تر از پلیمر به نظر می‌آیند.

بسیاری از میکروسکوپ‌های روبشی دو آشکارساز برای آشکار کردن الکترون‌های برگشتی و ثانویه دارند. بنابراین، هم‌زمان می‌توان دو تصویر از نمونه تهیه کرد. دو تصویر به‌دست آمده از نمونه در ادامه نشان داده شده‌اند و تصویر شماره یک با استفاده از الکترون‌های ثانویه تهیه شده است و در آن می‌توانیم ساختار سطحی را به وضوح ببینیم.

-FãTéMęH- · 30/8/23

اما تصویر شماره دو، کنتراست عددی اتمی در نمونه را نشان می‌دهد. نواحی روشن در تصویر عدد اتمی بزرگ‌تری در مقایسه با نواحی تاریک دارند. هر دو تصویر اطلاعات جالبی در مورد نمونه به ما می‌دهند.

خلأ در میکروسکوپ الکترونی روبشی
یکی از قسمت‌های اصلی در میکروسکوپ الکترونی روبشی،‌ سیستم خلأ است. در حالت کلی، میکروسکوپ‌های الکترونی برای بهترین عملکرد به خلأیی کمتر از 10−5
تور نیاز دارند. در SEM نیاز به پرتویی متمرکز داریم. الکترون‌های داخل پرتو الکترونی می‌توانند توسط مولکول‌های تشکیل‌دهنده هوا پراکنده شوند. برای کاهش پراکندگی الکترون‌ها،‌ از خلأ استفاده می کنیم. همان‌طور که می‌دانیم در سیستم‌های خلأ،‌ تعداد مولکول‌های هوا در حجمی مشخص کاهش می‌یابند، بنابراین، احتمال پراکندگی الکترون‌ها به شدت کاهش می‌یابد. از آنجا که در محیط خلأ نمی‌توانیم از نمونه‌های تر استفاده کنیم، تمام نمونه‌های استفاده شده در میکروسکوپ الکترونی روبشی باید کاملا خشک باشند.

اگر در نمونه‌ای آب باشد، برای مطالعه آن باید ابتدا نمونه را به طور کامل خشک کنیم. در بیشتر مواقع، با انجام این کار ساختار سطحی نمونه مختل می‌شود و از شکل واقعی اولیه فاصله می‌گیرد. ساختار کلی میکروسکوپ الکترونی روبشی در تصویر زیر نشان داده شده است. همان‌طور که در تصویر مشاهده می‌کنید، پرتو الکترونی بسیار باریک است و توسط عدسی‌های الکترومغناطیسی به خوبی روی نمونه متمرکز می‌شود.

-FãTéMęH- · 30/8/23

میکروسکوپ الکترونی روبشی دیگری نیز به نام میکروسکوپ الکترونی روبشی محیطی (Environmental SEM | ESEM) داریم. به هنگام کار با ESEM می‌توانیم به صورت کنترل شده مقداری بخار آب به محفظه خلأ وارد کنیم. اما ورود مولکول‌های آب به محفظه خلأ بدون مشکل نیست، زیرا الکترون‌ها در مسیر خود به مولکول‌های آب برخورد می‌کنند و پراکنده می‌شوند. از این‌رو،‌ پرتو الکترونی در ESEM نمی‌تواند به خوبی روی نمونه متمرکز شود.
در نتیجه،‌ وضوح تصویرهای گرفته شده با ESEM به خوبی وضوح تصاویر به‌دست آمده توسط SEM نیست. یکی از مزیت‌های ESEM در مقایسه با SEM آن است که با استفاده از آن می‌توانیم نمونه‌های حاوی آب، مانند سلول‌ها و باکتری‌ها مختلف را بدون خشک کردن کامل آن‌ها مطالعه کنیم. از این‌رو، تصاویر به‌دست آمده توسط ESEM، نمونه‌ها را در حالت طبیعی خود نشان می‌دهند. همچنین، می‌توانیم با ورود مقدار کمی بخار آب به محفظه خلأ، از باردار شدن نمونه‌ها در میکروسکوپ الکترونی روبشی محیطی جلوگیری کنیم. از این‌رو، به راحتی می‌توانیم از نمونه‌های نارسانا بدون نیاز به پوشش سطح آن‌ها با ماده رسانا، تصویر تهیه کنیم. تصویر زیر باکتری را نشان می‌دهد که با استفاده از ESEM گرفته شده است.

همان‌طور که در تصویر بالا دیده می‌شود، باکتری‌ها ذراتی میله‌ای شکل هستند که طول هر کدام در حدود یک میکرومتر است. با استفاده از ESEM به خوبی می‌توانیم از این دسته از باکتری‌ها تصویر تهیه کنیم.

به هنگام کار با میکروسکوپ الکترونی روبشی باید مراحل زیر را طی کنیم:

آماده‌سازی نمونه: نمونه قبل از قرار گرفتن در میکروسکوپ الکترونی روبشی باید آماده شود. آماده‌سازی نمونه به نوع نمونه بستگی دارد. در حالت کلی، نمونه یا با لایه‌ نازکی از ماده رسانا پوشانده یا با استفاده از سمباده نازک می‌شود. پس از آماده‌سازی نمونه،‌ آن را روی نگه‌دارنده یا حامل و داخل محفظه خلأ قرار می‌دهیم.
قرار دادن نمونه در جایگاه مخصوص: نمونه پس از آماده‌سازی داخل محفظه مخصوص قرار داده می‌شود. ممکن است برای مشاهده قسمت‌های مختلف نمونه آن را حرکت دهیم یا بچرخانیم.
تنظیم پرتو الکترونی: به منظور مشاهده نمونه و داشتن بهترین کیفیت و ایجاد کمترین صدمه به نمونه باید شدت و انرژی پرتو الکترونی را تنظیم کنیم.
جمع‌آوری و پردازش داده‌های تصویر: الکترون‌های پراکنده یا منعکس شده از سطح نمونه توسط آشکارساز الکترونیکی آشکار می‌شوند و از آن‌ها برای ایجاد تصویر از نمونه استفاده می‌کنیم. تصویر ایجاد شده می‌تواند توسط نرم‌افزارهای مختلف تحلیل و بررسی شود.
تحلیل تصویر: تصویر ایجاد شده از نمونه را می‌توانیم روی صفحه نمایش مشاهده کنیم. با استفاده از این تصویر می‌توان ساختار سطحی و مشخصات نمونه را مطالعه کرد.

-FãTéMęH- · 30/8/23

اجزای میکروسکوپ الکترونی روبشی
در مطالب بالا فهمیدیم میکروسکوپ الکترونی روبشی چیست و چه تفاوتی با میکروسکوپ نوری دارد. در این بخش با اجزای تشکیل‌دهنده میکروسکوپ الکترونی آشنا می‌شویم.
مهم‌ترین بخش‌های تشکیل‌دهنده میکروسکوپ الکترونی عبارت هستند از:

تفنگ الکترونی
عدسی‌های الکترومغناطیسی
نگه‌دارنده نمونه
سیستم مشاهده و ضبط تصویر
آشکارساز
سیستم الکترونیکی و کامپیوتر
در ادامه در مورد هر یک از این بخش‌ها به اختصار توضیح می‌دهیم.

تفنگ الکترونی
در میکروسکوپ الکترونی روبشی، پرتو الکترونی در محلی به نام تفنگ الکترونی ایجاد می‌شود. رشته‌ای از جنس عنصر تنگستن به عنوان کاتد در تفنگ الکترونی قرار دارد و از آن به عنوان منبع تولید الکترون استفاده می‌شود. رشته تنگستن به ولتاژ منفی وصل شده است. همچنین، صفحه آند در پایین تفنگ الکترونی قرار دارد و به زمین (ولتاژ صفر) وصل می‌شود. به عنوان مثال، اگر برای مشاهده تصویر به ولتاژی برابر ۳۰ کیلوولت نیاز داشته باشیم، رشته تنگستن را به ولتاژ ۳۰- کیلوولت متصل می‌کنیم. به این نکته توجه داشته باشید که از ولتاژ اعمال شده برای شتاب دادن به الکترون‌ها استفاده می‌کنند. جریان از رشته تنگستن عبور می‌کند و سبب گرم شدن آن می‌شود. الکترون‌های سطحی تنگستن با دریافت انرژی کافی به دلیل گرم شدن این عنصر، می‌توانند از سطح آن خارج شوند.
گفته می‌شود. در بیشتر میکروسکوپ‌های الکترونی روبشی، رشته تنگستن توسط لایه‌ای از اکسید زیرکونیوم پوشانده شده است. وجود این لایه اکسیدی و میدان الکتریکی در نزدیکی تفنگ الکترونی سبب خروج الکترون‌های بیشتری از رشته تنگستن می‌شود. علاوه بر رشته تنگستن، از دو تفنگ الکترونی دیگر نیز در SEM استفاده می‌شود:

• کریستال حالت جامد (سریم هگزابورید)
• «تفنگ گسیل میدانی» (Field Emission Gun | FEG)

همان‌طور که در تصویر زیر دیده می‌شود، رشته تنگستن به شکل V برعکس و طول آن در حدود ۱۰۰ میکرومتر است. این سیم به شکل مقاومتی گرم می‌شود و الکترون‌ها پس از به‌دست آوردن انرژی کافی از آن خارج می‌شوند. رشته تنگستن یکی از ابتدایی‌ترین منابع تابش الکترون است.

-FãTéMęH- · 30/8/23

کریستال حالت جامد
این تفنگ الکترونی نیز از نوع تفنگ تابشی گرمایی و درخشش و طول عمر آن در حدود ۱۰ تا ۱۵ برابر رشته تنگستن است.

تصویر SEM از تفنگ کریستالی حالت جامد

تفنگ گسیل میدانی
در این تفنگ الکترونی از سیم تنگستن با نوک خیلی تیز، کوچک‌تر از ۱۰۰ نانومتر، استفاده می‌شود. تفنگ گسیل میدانی همان‌گونه که از نام آن مشخص است با استفاده از میدان الکتریکی، الکترونی تابش و پرتو الکترونی تولید می‌کند. نوک تیز و بسیار کوچک سیم تنگستن سبب بهبود تابش و تمرکز الکترونی‌ها می‌شود.

تصویر SEM از تفنگ الکترونی FEG

عدسی های الکترومغناطیسی
همان‌طور که در مطالب بالا اشاره کردیم در میکروسکوپ‌های نوری برای تمرکز نور روی نمونه از عدسی‌های شیشه‌ای استفاده می‌کنیم، اما در میکروسکوپ‌های الکترونی به جای نور، با پرتو الکترونی با بار الکتریکی منفی سروکار داریم، بنابراین به جای عدسی‌های شیشه‌ای، از عدسی‌های الکترومغناطیسی استفاده می‌کنیم. یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های عدسی‌ها آن است که پرتو تابشی را خم و آن را روی نقطه مشخصی متمرکز می‌کنند. عدسی مقعری در تصویر زیر نشان داده شده است که امواج صفحه‌ای پس از برخورد به آن و عبور از عدسی، خمیده و در نقطه‌ای مشخص متمرکز شده‌اند. به این نقطه، مرکز کانونی عدسی گفته می‌شود. امواج تابیده به عدسی ممکن است موازی نباشند. باید توجه داشته باشیم که حتی امواج غیرموازی نیز پس از برخورد به عدسی و عبور از آن، در نقطه‌ای مشخص متمرکز می‌شوند.
جسمی دلخواه را روبروی عدسی شیشه‌ای در نظر بگیرید. پرتوهای نور خارج شده از جسم به عدسی برخورد می‌کنند. نورهای خارج شده از جسم در هوا، طول موج مشخصی دارند. رفتار نور در هوا با رفتار آن داخل عدسی متفاوت است، زیرا ماهیت دو محیط به طور کامل با یکدیگر فرق دارند. طول موج نور داخل عدسی کوچک‌تر از طول موج نور آن در هوا است. پرتوهای خروجی از جسم پس از برخورد به عدسی و عبور از آن، در سمت دیگر عدسی یکدیگر را قطع می‌کنند و تصویر نمونه در محل تقاطع پرتوها ایجاد می‌شود. با توجه به نوع عدسی شیشه‌ای و قدرت بزرگ‌نمایی آن، تصویر ایجاد شده می‌تواند تا چند برابر بزرگ‌تر از جسم تشکیل شود.

-FãTéMęH- · 30/8/23

با ظهور فیزیک کوانتوم و مطرح کردن دوگانگی موج و ذره، الکترون‌ها به عنوان ذرات کوانتومی نه‌تنها ذره هستند، بلکه از خود رفتار موجی نیز نشان می‌دهند. با تکیه بر این رفتار دوگانه، ایده ساخت میکروسکوپ الکترونی در دهه ۳۰ میلادی مطرح شد. برای ساخت میکروسکوپ الکترونی باید از عدسی به نام عدسی الکترونی استفاده می‌شد. چگونه می‌توانیم عدسی برای الکترون‌ها بسازیم؟ انجام این کار بسیار ساده است. اگر سیم فلزی بلندی را برداریم و آن را به شکل سیم‌پیچ‌ درآوریم و جریانی برابر I را از آن عبور دهیم، میدان مغناطیسی به صورت نشان داده شده در تصویر زیر ایجاد می‌شود. خطوط میدان مغناطیسی، سطح سیم‌پیچ را می‌پوشانند.
اکنون الکترونی را در نظر بگیرید که از تفنگ الکترونی خارج و به سمت میدان مغناطیسی ایجاد شده می‌آید. اگر الکترون به صورت نشان داده شده در تصویر زیر به سمت میدان مغناطیسی حرکت کند، بدون حس کردن نیرویی از جانب میدان و بدون انحراف، عبور می‌کند. این حالت مشابه حالتی است که ذرات فوتون از وسط عدسی شیشه‌ای عبور می‌کنند. این فوتون‌ها بدون انحراف از عدسی عبور می‌کنند.
اگر الکترون با زاویه‌ای مشخص نسبت به خطوط میدان مغناطیسی، وارد سیم‌پیچ شود، نیروی F بر آن وارد می‌شود. این نیرو، مسیر حرکت الکترون را منحرف می‌کند. مقدار این نیرو به سرعت الکترون و میدان مغناطیسی وابسته است.
جهت نیروی وارد شده بر الکترون را می‌توانیم با استفاده از قانون درست راست به‌دست آوریم. بر این اساس، الکترون روی مسیر مارپیج به صورت نشان داده شده در تصویر زیر حرکت می‌کند.

مسیر حرکت الکترون در میدان مغناطیسی

الکترون به مسیر خود به صورت مارپیچ ادامه می‌دهد تا به انتهای سیم‌پیچ برسد. در آنجا نیرو در جهت مخالف بر الکترون وارد می‌شود. بنابراین، حرکت محیطی الکترون روی روی مسیر دایره‌ای و مارپیچ متوقف می‌شود. الکترون‌های خارج شده از تفنگ الکترونی پس از ورود به سیم‌پیچ متمرکز می‌شوند. به تصویر نشان داده شده در ادامه توجه کنید. در این تصویر سطح مقطع سیم‌پیچی متعلق به عدسی الکترونی یا عدسی الکترومغناطیسی را مشاهده می‌کنید. نقطه‌های سیاه نشان داده شده روی سیم‌پیچ متعلق به سیم‌های پیچیده شده به شکل دایره‌ای است. جریان عبوری از این سیم‌ها، میدان مغناطیسی با خطوطی به صورت نشان داده شده در تصویر زیر ایجاد می‌کند. محور نوری عدسی از مرکز آن عبور می‌کند.
الکترون‌ها از نقطه A خارج می‌شوند. برخی از الکترون‌ها پس از خروج از نقطه A روی محور نوری عدسی حرکت می‌کنند و بدون انحراف، از سیم‌پیچ خارج می‌شوند و به نقطه B می‌رسند. برخی از الکترون‌ها نیز از محور نوری خارج می‌شوند. بنابراین، نیرویی از طرف میدان مغناطیسی بر آن‌ها وارد و روی مسیر مارپیچی حرکت می‌کنند.

-FãTéMęH- · 30/8/23

همان‌طور که در تصویر زیر دیده می‌شود، این الکترون‌ها پس از ورود به میدان مغناطیسی ابتدا از محور نوری دور و سپس به آن نزدیک می‌شوند.

ساختار عدسی الکترومغناطیسی

با استفاده از عدسی‌های الکترومغناطیسی می‌توانیم الکترون‌ها خارج شده از تفنگ الکترونی را به شکل پرتو الکترونی درآوریم. در میکروسکوپ الکترونی روبشی به طور معمول از سه نوع عدسی استفاده می‌شود:

عدسی همگرا: این عدسی پرتو الکترونی را روی نمونه متمرکز می‌کند.

عدسی شیئی: الکترون‌های خروجی از نمونه از سیم‌پیچ‌های مغناطیسی دسته دوم به نام عدسی شیئی عبور می‌کنند. این عدسی‌ها به شکل‌گیری تصویر بزرگ شده میانی کمک می‌کنند.

عدسی چشمی: با کمک این عدسی‌ها می‌توان تصویر نهایی و بزرگ‌تر از تصویر میانی را تشکیل داد.

تفنگ الکترونی بالای عدسی الکترومغناطیسی قرار گرفته است. همان‌طور که در تصویر بالا مشاهده می‌کنید، عدسی الکترومغناطیسی محوری به نام محور اپتیکی دارد که از مرکز آن عبور می‌کند. در حالا ایده‌ال، الکترون‌ها روی محور اپتیکی حرکت می‌کنند، اما در حالت واقعی این‌گونه نیست. به همین دلیل با دو مشکل مواجه می‌شویم:

۱) الکترون‌های خارج شده از تفنگ الکترونی در راستای محور اپتیکی قرار ندارند.
۲) عدسی‌ها ممکن است نسبت به یکدیگر کاملا افقی نباشند و با زاویه‌ای هر چند کوچک نسبت به یکدیگر قرار گرفته باشند.
برای هم‌راستا کردن تمام الکترون‌های خروجی در راستای محور اپتیکی، از سیستمی به نام منحرف‌کننده در سیستم عدسی الکترومغناطیسی استفاده می‌شود. منحرف‌کننده، سیم‌پیچ‌هایی هستند که به صورت عمود بر جهت پرتو الکترونی قرار گرفته‌اند. به این نکته توجه داشته باشید که در حالت واقعی، هیچ عدسی الکترومغناطیسی نمی‌تواند میدان مغناطیسی با خطوط کاملا متقارن ایجاد کند. برای ساخت سیم‌پیچ از سیم‌های فلزی نازک استفاده می‌شود. ضخامت این سیم‌ها در تمام قسمت‌های آن یکسان نیست. از این‌رو، مقاومت در قسمت‌های مختلف سیم متفاوت خواهد بود. در نتیجه، جریان عبوری از سیم‌ها در قسمت‌های مختلف آن متفاوت است. بنابراین، میدان مغناطیسی ایجاد شده نیز به طور کامل متقارن نخواهد بود.

-FãTéMęH- · 30/8/23

همچنین، برای ثابت نگه داشتن دمای عدسی الکترومغناطیسی، اطراف آن سیستم خنک‌کننده به صورت لوله‌های آب قرار گرفته است. گاهی ممکن است دمای قسمتی از عدسی الکترومغناطیسی بالاتر از دمای قسمت دیگر باشد. بنابراین، مقاومت الکتریکی نیز در قسمت‌های مختلف عدسی متفاوت خواهد بود. این تفاوت به صورت عدم تقارن در خطوط میدان مغناطیسی دیده می‌شود. به این حالت، «آستیگماتیسم»‌ (Astigmatism)‌ می‌گوییم. در این حالت میدان مغناطیسی ایجاد شده در قسمتی از عدسی قوی‌تر از قسمت دیگر است و الکترون‌ها در قسمتی که میدان مغناطیسی قوی‌تر است بیشتر متمرکز می‌شوند. به هنگام تصویربرداری از نمونه باید آستیگماتیسم حذف شود یا به حداقل مقدار ممکن برسد تا بتوانیم تصویری واقعی و واضح از نمونه داشته باشیم.

نگه دارنده نمونه
نمونه پس از آماده سازی باید در مکان مخصوص خود در محفظه قرار داده شود. همان‌طور که در مطالب بالا اشاره شد میکروسکوپ الکترونی روبشی تحت خلأ کار می‌کند. بنابراین، پس از قرار دادن نمونه در محفظه و بستن در آن، فشار محفظه را تا رسیدن به عدد موردنظر کاهش می‌دهیم. مکان قرارگیری نمونه به گونه‌ای طراحی شده است که به راحتی می‌توانیم نمونه را حرکت یا حول محور مشخصی دروان دهیم.
آشکارساز
از آشکارساز برای آشکارسازی الکترون‌های منعکس یا پراکنده شده از سطح نمونه استفاده می‌شود. از آنجا که پس از برخورد پرتو الکترونی با سطح نمونه، اتفاق‌های متفاوتی رخ می‌دهند، از آشکارسازهای مختلفی در میکروسکوپ الکترونی روبشی استفاده می‌شود:

• آشکارسازی برای تشخیص الکترون‌های برگشتی از سطح نمونه
• آشکارسازی برای تشخیص الکترونی‌های ثانویه
• آشکارسازی برای تشخیص پرتو ایکس

با توجه به ولتاژ شتاب و چگالی نمونه، سیگنال‌های از عمق‌های نفوذ متفاوتی می‌آیند. فرض کنید عمق نمونه به چند لایه سطحی، میانی و عمیق تقسیم می‌شود. «الکترون‌های اوژه» (Auger Electrons) از سطحی‌ترین لایه نمونه می‌آیند. الکترون‌های اوژه هنگامی آزاد می‌شوند که اتمی با الکترون‌های پرانرژی بمباران شود. در این حالت، ممکن است حفره‌ای در ترازهای انرژی مختلف ایجاد شود. الکترون‌های اوژه، الکترون‌هایی هستند که از تراز انرژی بالاتر، برای پر کردن حفره به تراز انرژی پایین‌تر می‌روند. پس از الکترون‌های اوژه، الکترون‌های ثانویه از لایه بعدی خارج می‌شوند. از الکترون‌های ثانویه برای ایجاد تصویرهای توپوگرافی استفاده می‌کنیم.
آشکارساز الکترونی بازگشتی، الکترون‌هایی را که به صورت کشسان پراکنده شده‌اند، آشکار می‌کند. آشکارساز الکترون‌های برگشتی برای کار کردن نیاز به خلأ کمتری در مقایسه با آشکارسازهای دیگر دارد.

خوش آمدید به رمان ۹۸ | بهترین انجمن رمان نویسی

ما را در شبکه‌های اجتماعی دنبال کنید

مدیر ارشد رمان ۹۸

مدیر ارشد رمان ۹۸

مدیر ارشد رمان ۹۸

مدیر ارشد رمان ۹۸

مدیر ارشد رمان ۹۸

مدیر ارشد رمان ۹۸

مدیر ارشد رمان ۹۸

مدیر ارشد رمان ۹۸

مدیر ارشد رمان ۹۸

مدیر ارشد رمان ۹۸

ما را در شبکه‌های اجتماعی دنبال کنید

درباره ما

لینک‌های پیشنهادی رمان ۹۸

آمار آنلاین